Международный
научный журнал

Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия циклическим жидкофазным способом


Research of process of receiving sodium sesquicarbonate in the cyclic liquid-phase method

Цитировать:
Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия циклическим жидкофазным способом // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Эркаев А.У. [и др.]. 2017. № 6(36). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/4882 (дата обращения: 24.07.2019).
 
Прочитать статью:

Keywords: sodium sesquicarbonate, suspension, mother liquor, sodium carbonate and hydrogen carbonate, crystallization, system

АННОТАЦИЯ

Для разработки технологии жидкофазного циклического способа получения сесквикарбоната натрия проводился графический анализ системы NaНCO3 -Na2CO3 -H2O. Анализ системы также показывает, что для получения двойного соединения сесквикарбоната натрия процесс необходимо вести при температуре не более 100°С. Результаты проведенных экспериментов показывают, что плотность исходных растворов при 100оС увеличивается с повышением концентрации и снижается с увеличением в жидкой фазе соотношения Na2CO3:NaHCO3 при колебании в интервале 1,196-1,242 г/см3.

При проведении процесса кристаллизации при 25-30оС соотношение Ж:Т и плотность образующейся суспензии колеблются в интервалах 5,44-16,88 и 1,231-1,352 г/см3 соответственно.

ABSTRACT

To develop the technology of the liquid-phase cyclic method for obtaining sodium sesquicarbonate, a graphical analysis of NaНCO3 -Na2CO3 -H2O system is carried out. The system analysis also shows that the process must be conducted at temperature no more than 100 °C to obtain a double compound of sodium sesquicarbonate. Results of the carried out experiments show that the density of initial solutions at 100 °C rises with increasing concentration and decreases with the increase of the ratio Na2CO3:NaHCO3 in the liquid phase under the vibration in the interval 1,196-1,242g/cm3.

Carrying out the crystallization process at 25-30 оС, the ratio L: S and the density of the resulting suspension fluctuate within the ranges 5,44 – 16,88 and 1,231-1,352 g / cm3, respectively.

 

Сесквикарбонат натрия (Na2CO3·NaHCO3·2H2O) используется в составах экологически безопасных бесфосфатных моющих средств и производстве косметических средств, что связано с наличием положительного дерматологического эффекта и дезинфицирующих свойств. Его также применяют для десульфизации кислотных газов промышленных предприятий, обработки промышленных и городских сточных вод, регулирования рН воды плавательных бассейнов. Крупные месторождения сесквикарбоната натрия сконцентрированы, главным образом, в США и России в виде минерала троны. Однако выделение из него Na2CO3·NaHCO3·2H2O трудоемко и энергозатратно, поэтому интерес представляет получение синтетического сесквикарбоната натрия. Известны способы получения сесквикарбоната натрия, основанные на смешении порошкообразного карбоната натрия и водной суспензии гидрокарбоната натрия, недостатками которых является наличие в продуктах синтеза, помимо сесквикарбоната натрия, Na2CO3·H2O и NaHCO3 и, следовательно, низкое содержание основного вещества. В то же время отмечено, что путем политермической кристаллизации из насыщенного раствора возможно получение продукта с содержанием 96-98 мас. % Na2CO3·NaHCO3·2H2O.

Теоретический анализ системы«гидрокарбонат натрия — карбонат натрия — вода» выполнен при 25, 80 и 100°С построением диаграммы путем экстраполяции литературных данных [1-4], в которых выявлено наличие разногласий по некоторым узловым точкам, что вынудило нас провести уточнения экспериментальным путем. На фазовой диаграмме состояния изучаемой системы были разграничены поля кристаллизации десяти- и семиводного карбоната натрия и сесквикарбоната натрия- NaНCO3·Na2CO3·2H2O. В исследуемых температурных интервалах происходит образование соединения NaНCO3·Na2CO3·2H2O. Основную часть диаграммы занимает поле кристаллизации гидрокарбоната натрия, что указывает на малую его растворимость относительно других компонентов системы. С повышением температуры наблюдается исчезновение поля кристаллизации десяти- и семиводного карбоната натрия.

Для разработки технологии жидкофазного циклического способа получения сесквикарбоната натрия проводился графический анализ системы NaНCO3 -Na2CO3 -H2O.

От точки А состава влажного гидрокарбоната натрия к точке Д состава, образующегося при смешении с раствором кальцинированной соды в системе при 100oС в результате его перехода в раствор, проводим луч растворения до пересечения координат Na2CO3-H2O (КС) с точкой С,котораяпоказывает исходную концентрацию содового раствора.

Масса содового раствора относительно влажного гидрокарбоната натрия (ВГКН) по правилу рычага равна плечу АВ/ВС.

Следовательно, концентрация содового раствора в точке С равна 2,2%, а соотношение Мрент /=АВ/ВС=128/16=8.

128+16=144; 16·100/144=11,1%; 11.1·0,83=9,22%.

Расчеты показывают, что в систему добавляется (100/811-11,11%) ВГКН, тогда с учетом значения влажности 17% содержание гидрокарбоната натрия в системе составляет 11,1·0,83=9,22%, а содержание карбоната натрия -(100-11,11)·0,22=19,56%. Полученный раствор охлаждается до 25oС, в результате чего образуется кристаллический сесквикарбонат натрия и его насыщенный раствор.

Состав насыщенного маточного раствора определяется путем проведения луча кристаллизации от точки сесквикарбоната натрия к фигуративной точке системы (В). Луч кристаллизации проводится до пересечения с точкой М изотермы насыщения сесквикарбоната натрия при 25oС. При этом состав маточного раствора содержит масс%: 18,5 Na2CO3, 2,5 NaНCO3 и 79,0 H2O. Соотношение Ж:Т в суспензии равно ВТ/ВМ=100/116=6,25, т. е. содержание троны в суспензии составляет 13,79% (NaНCO3·Na2CO3·2H2O-37,14%). При 13,79·0,3414=5,13 выход ГКН составляет 5,13·100/9,22=55,59%. Полученный сесквикарбонат натрия подается на стадию сушки, а маточный раствор — на стадию приготовления содового раствора при температуре 25-35oС, которая обеспечивается за счет теплоты растворения кальцинированной соды. Соотношение маточного раствора и кальцинированной соды равно:

Ммат р/ркс КС-С11М=151/10=15,1.

При добавлении к маточному раствору 6,211% кальцинированной соды образуется содовый раствор, соответствующий по составу фигуративной точке С1.

К полученному содовому раствору необходимо добавлять такое количество ГКН, чтобы состав системы соответствовал фигуративной точке В, определяемой по правилу рычага: АВ/ВС1=128/12=1067, т. е. в систему при 100oС добавляется 8,57% ВГКН (7,11% относительно сухого ГКН). Образующийся раствор охлаждается до 25oС с получением суспензии сесквикарбоната натрия, которая, как показано выше, содержит 17,59% твердой фазы. Суспензию фильтруют с получением сесквикарбоната натрия и маточного раствора. Таким образом, цикл закрывается с образованием треугольника (ВМС1) и выходом сесквикарбоната натрия по ГКН, достигающим 51113·100/7,4=72,15%. В данной технологии 10-15% ГКН в виде маточного раствора выводится из системы и используется в качестве содового раствора для других целей, а 10-13% ГКН превращается в карбонат натрия в стадии растворения, что принимается во внимание при приготовлении содового раствора.

Анализ системы также показывает, что для получения двойного соединения сесквикарбоната натрия процесс необходимо вести при температуре не более 100°С.

Для полного растворения кальцинированной соды и с учетом испарения в технологических стадиях количество добавляемой воды было одинаковым для всех опытов (240 г на 100 г суммы солей). Исходя из вышеизложенных экспериментов по получению сесквикарбоната натрия проводили путем политермической кристаллизации раствора карбоната и гидрокарбоната натрия. Наличие избыточного содержания карбоната натрия в насыщенном растворе связано с его высаливающим действием и незначительным изменением растворимости при понижении температуры от 100 до 25°С (рисунок).

 

Рисунок. График циклического способа получения сесквикарбоната натрия.

 

При проведении опытов к горячей воде медленно, при постоянном перемешивании добавляли карбонат и гидрокарбонат натрия. Полученную суспензию нагревали до 100°С и выдерживали при постоянном перемешивании до полного растворения солей, после чего медленно, в течение 15-20 мин раствор охлаждали до 25°С со скоростью 2-3оС/мин с выпадением ромбических (игольчатых) кристаллов сесквикарбоната натрия. Полученный продукт отфильтровывали на вакуум-фильтре под разрежением 0,3 кгс/см2 и промывали 17%-ным раствором сесквикарбоната натрия при соотношении 1:1 относительно сухого продукта. Осадок сушили при комнатной температуре. Маточный раствор анализировали на содержание карбонат- и гидрокарбонат- ионов и добавлением Na2CO3 и NaHCO3 донасыщали до их заданного содержания. После этого проводили второй цикл кристаллизации с соблюдением условий, аналогичных при первом цикле кристаллизации.

Содержание Сl-ионов определяли меркурометрическим методом, а HCO3- и CO32- ионов — титрованием кислотой. Фазовый состав устанавливали посредством рентгенофазового анализа на дифрактометре «ДРОН-3», морфологию и размер частиц — с помощью сканирующего электронного микроскопа Jeol JSM-6510LV (Япония). Термический анализ синтезированных продуктов осуществляли методом дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе Mettler TOLEDOSTAR. Термографирование проводили при атмосферном давлении на воздухе в керамическом тигле при скорости нагрева 6 град/мин.

Эксперименты показывают, что плотность исходных растворов при 100оС увеличивается с повышением концентрации и снижается с увеличением в жидкой фазе соотношения Na2CO3:NaHCO3 при колебании в интервале 1,196-1,242 г/см3.

При проведении процесса кристаллизации при 25-30оС соотношение Ж:Т и плотность образующейся суспензии колебются в интервалах 5,44-16,88 и 1,231-1,352 г/см3 соответственно. Скорость фильтрации в зависимости от технологических параметров колеблетса в интервалах 202,00-926,58 кг/м2ч и, в частности, снижается с повышением соотношения Na2CO3:NaHCO3 и с увеличением содержания хлорида натрия в жидкой фазе до 4,412%, а дальнейшее его повышение приводит к значительному снижению на 293,79 кг/м2ч по сравнению с температурой 60оС. Влажность кеков в 1.5-2 раза ниже, чем при 60оС, и составляет 17,36-33,48%. Выход продуктов в некоторых случаях превышает 90%, в частности, при соотношении Na2CO3:NaHCO3 = 4.

Как показывают полученные результаты, при снижении температуры образуются мелкие кристаллы, которые являются зародышами сесквикарбоната натрия, и их дальнейший рост оказывается возможным в результате достижения пересыщения при охлаждении раствора.

После донасыщения маточного раствора карбонатом и гидрокарбонатом при 100°С до заданной концентрации солей натрия раствор охлаждали таким же способом, как и в первом цикле. Расчеты показывают, что возврат маточного раствора в процесс позволяет сократить расход карбоната и гидрокарбоната натрия на приготовление насыщенного раствора и повысить выход продукта до 74,3%.


Список литературы:

1. Порошок на троне [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.ecostar.com.ua (дата обращения: 17.08.2010).
2. Энергоэкономная технология получения высококачественного кристаллизационного сесквикарбоната натрия [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://niochim.kharkov.ua/ru/ innovations.html#2 (дата обращения: 17.08.2010).
3. Method of producing non-phosphate detergents based on powdered sodium sesquicarbonate: EP 1690923 Ukraine, C 11 D 3/10, C 11 D 11/04 / O. Kachur, W. Lemeshko; BRANDPAT Kan- celaria Patentowa; заявл. 15.02.2005; опубл. 16.08.2006 // Bulletin 2006/33 / European Patent Office. — 2006. — № 12/82.
4. Torgeson D. R. Heats of formation and decomposition of trona / D. R. Torgeson // J. of Industrial and Engineering Chemistry. — 1948. — Vol. 40. —№ 6. — P. 1152-1153.

Информация об авторах:

Эркаев Актам Улашевич Erkaev Aktam

д-р техн. наук, профессор Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32


Кучаров Бахром Хайриевич Kucharov Bahram

канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32


Исмоилов Диёр Уралбаевич Ismoilov Diyor

магистрант Ташкентского химико-технологического института, 100011, Узбекистан, г. Ташкент, проспект Навои, 32

graduate student Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Uzbekistan, Tashkent, Navoi avenue, 32


Тоиров Закир Каландарович Tоirov Zakir

канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32


Каипбергенов Атабек Тулепбергенович Kaipbergenov Atabek

д-р. техн. наук, старший преподаватель Каракалпакского государственного университета, Узбекистан, г. Нукус, улица Абдирова, 1

doctor of engineering sciences, senior lecturer, Karakalpak State University Uzbekistan, Nukus, Abdirova st., 1


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5459

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66239 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в:

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

ROAR

OpenAirediscovery

CiteFactor

 

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.